Giáo trình Vật liệu điện

Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 72 Zo là tổng trở của khe sét (400Ω) R là điện trở của hệ thống nối đất Trường hợp sét đánh vào dây dẫn (Zdd=400Ω) thì dòng điện sét được tính Các tham số của dòng điện sét Độ dốc dòng điện sét a: Tốc độ tăng dòng điện sét ở giai đoạn đầu của dòng sét Xác suất để có độ dốc dòng điện sét lớn hơn 1 trị số ai được xác định bỡi Biên độ dòng điện sét Is: Giá trị cực đại của dòng điện sét Sóng dòng điện sét được biểu thị bỡi phương trình t is=at Is Is Biên độ dòng điện sét phân bố theo xác suất 2 2 ).0( s dd o o sdd i Z Z Z Rii  + ==    = = đsss đss tIi ttai   max_ 0.   1,26/iIis eII −=   9,10/iai eaa −= Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 73 Cường độ hoạt động của sét Theo từng vùng hay từng địa phương thì người ta biểu thị cường độ hoạt động của sét bằng số ngày hoặc số giờ có sét hằng năm Số ngày sét trong năm nngày sét: là số ngày có sét trong 1 năm. Ngày có sét là ngày có sét xuất hiện ít nhất 1 lần từ 0h đến 24h. Vùng xích đạo: 150 ngày sét/năm Vùng nhiệt đới: 75-100 ngày/năm Vùng ôn đới: 30-50 ngày/năm -Mật độ sét : ms là số lần sét đánh xuống 1 km2 mặt đất trong 1 ngày sét. Trong tính toán, mật độ sét được lấy 0.1-0.15 lần/ngày sét/km2 2.2. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp gồm: Bộ phận thu sét: kim, dây và lưới thu sét Bộ phận dẫn dòng sét Bộ phận nối đất 2.2.1 Bảo vệ chống sét bằng kim thu sét 2.2.1a. Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét Nhà bác học Acopan làm thí nghiệm như sau MFX h R =3,5h Ho =20h :độ cao định hướng 1,6h Dùng 1 máy phát xung để tạo ra dòng điện sét và nối với mũi nhọn ở độ cao định hướng Ho, kim thu sét có độ cao h với h<<Ho đặt ở phía mặt đất. Đối với cột thu sét Ho=20h, h30m. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 74 Cho mũi nhọn di chuyển trên bề mặt phẳng nằm ngang ở độ cao định hướng thì thấy rằng khi mũi nhọn nằm trong khu vực bán kính 3,5h thì sẽ phóng xuống kim thu sét. Nếu mũi nhọn nằm ngoài vùng này thì có thể phóng xuống đất có thể phóng vào kim thu sét. Mỗi lần phóng xuống đất đều cách kim thu sét 1 đoạn lớn hơn 1,6h. Như vậy bán kính bảo vệ của kim thu sét ở độ cao hx=0 là 1,6h. 1,6h h rx Phạm vi bảo vệ của kim thu sét ở độ cao hx được xác định bằng cách đưa ra mô hình kim thu sét có độ cao hx và cho kim di chuyển sẽ xác định được bán kính tới hạn h h hh r x x x + − = 1 .6,1 rx là bán kính bảo vệ của công trình ở độ cao hx và được xác định dựa vào phương trình đường sinh của hình nón tròn xoay. Như vậy để công trình được bảo vệ an toàn, công trình phải nằm gọn trong đường tròn bán kính rx. Để đơn giản hơn, sinh được biểu diễn bỡi 2 đường gấp khúc và bán kính bảo vệ được xác định hhx 3 2  1=p p h h hr xx ) 8,0 1.(5,1 −= hhx 3 2  p h h hr xx )1.(75,0 −= mh 30 h p 5,5 = mh 30 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 75 rx h 2/3h rx o hx 0.8h 1.5h 1.5h0.75h0.75h 2.2.1b Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét Khi 2 cột thu sét nằm cách nhau 1 đoạn a<7h thì sẽ bảo vệ được 1 độ cao ho với ho thỏa mãn điều kiện Ở đây ho được xem là cột thu sét giả tưởng nằm giữa 2 cột. Do vậy phạm vi bảo vệ giữa 2 cột được xác định như sau h h ho rx rox 7 a hho −= Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 76 Trường hợp 2 cột có độ cao h1và h2 khác nhau (với h1>h2) được xác định như sau: + Tính bán kính bảo vệ r12 của cột h1 ở độ cao h2 + Xem như 2 cột thu sét có độ cao như nhau h2 với khoảng cách giữa 2 cột a-r12. + Tính cột thu sét giả tưởng và bán kính bảo vệ cột thu sét giả tưởng + Vẽ tiếp tuyến giữa các đường tròn 2.2.1c Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét - Chia các cột thu sét thành nhóm 3 cột hoặc 4 cột ( hình chữ nhật hoặc hình vuông) sao cho các đa giac hình thành các nhóm cột không chồng lên nhau và lấp đầy khu vực bên trong đa giác lớn hình thành tất cả các cột - Khu vực bên trong từng đa giác sẽ được bảo vệ an toàn nếu đường kính D của đường tròn đa giác nhỏ thỏa mãn Trong đó: hx là độ cao lớn nhất của công trình nằm bên trong đa giác và h là độ cao của cột thu sét. Phần ngoài đa giác lớn được xác định giống như phạm vi bảo vệ của từng đôi cặp cột. Ví dụ: Phạm vi bảo vệ của các cột thu sét được vẽ như sau D rx rx rxrx rox1 rox2 rox3 rox4 2.2.2 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét Theo thí nghiệm của Acopan, ở phía mặt đất đặt dây thu sét ở độ cao h, mũi nhọn ở độ cao Ho với Ho=10h nếu h30m. Khi di chuyển mũi nhọn theo phương vuông góc với dây thu sét với khoảng cách là B=2h thì sẽ phóng điện lên dây thu )(8 xhhD − Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 77 sét, ở ngoài phạm vi này, thì nếu phóng điện xuống đất thì cách mặt phẳng đứng đi qua dây thu sét 1 đoạn là 1.2h. 1,2h hx 1,2h DC S Như vậy với công trình có độ cao hx<h thì phạm vi bảo vệ của dây thu sét sẽ chạy dọc theo dây thu sét với bề ngang là 2bx x x x hh hh hb + −  2.1 Hoặc theo phương pháp đơn giản hóa như sau: b x b x h x  1.2h 0.6h 0.6h 1.2h )1.(6,0 3 2 ) 8,0 1.(2,1 3 2 h h hbhh h h hbhh x xx x xx −= −= Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 78  00 2520 = Đối với đường dây tải điện thì dây chống sét thường đặt gần dây dẫn nên hdd>2hcs/3. Do đó, dây dẫn nằm gọn trong phạm vi bảo vệ của dây chống sét. Vì vậy người ta không cần quan tâm đến phạm vi bảo vệ mà chỉ quan tâm đến góc bảo vệ. Góc bảo vệ: là góc tạo bỡi đường thẳng đi qua dây chống sét và dây dẫn và phương thẳng đứng. Giới hạn góc bảo vệ: o h h tg 316.0 6,0 ====  o31 o31 s ho s Ho 2h 2h Xác định phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét Khi làm thí nghiệm với 2 dây thu sét thì ta thấy khu vực có xác suất 100% phóng điện vào dây thu sét là B=2h. Như vậy, có 2 dây thu sét đặt cách nhau 1 đoạn s=4h thì mọi điểm nằm trên mặt đất đều được bảo vệ an toàn. Giả sử 2 dây chống sét nằm cách nhau 1 đoạn s<4h thì sẽ bảo vệ được độ cao ho nằm giữa 2 cột thu sét 4 s hho −= Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 79 2.3 Các yêu cầu kỹ thuật khi bảo vệ chống sét đánh thẳng bằng hệ thống thu sét - Công trình cần bảo vệ phải nằm gọn trong phạm vi bảo vệ của các cột thu sét Cột thu sét có thể nằm trên bản thân công trình hoặc nằm cách ly so với công trình tùy theo điện áp và đặc điểm của công trình. Khi cột thu sét đặt cách ly so với công trình thì cần phải đảm bảo điều kiện phóng điện ngược từ cột thu sét đến công trình Ví dụ: Đối với hệ thống điện và trạm phân phối có U=35kV thì phải đặt hệ thống thu sét cách ly với công trình. Tại chân các cột thu sét có hệ thống nối đất tạp trung với trị số Rx Sd Sk Công nh Rxk A B Is Cần xác định Sk ,Sđ để không gây phóng điện ngược Điện áp tại A : UA=Is.Rxk Điện áp tại B : dt di hLRI dt di LRIU sxoxkS s ABxksB .... +=+= Điều kiện để không gây phóng điện ngược trong đất và không khí      +=+= = k cp k s xoxkS s ABxksB d cp dxksA ES dt di hLRI dt di LRIU ESRIU ..... .. -Phần dẫn dòng điện sét phải đảm độ bền cơ, nhiệtkhi dẫn dòng điện sét từ kim thu sét về đất. Để đảm bảo thì tiết diện này ít nhất là 50mm2. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 80 Chương 3 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT TBCS là thiết bị được nối song song với TBĐ dùng để bảo vệ chống quá điện áp khí quyển 3.1. Các yêu cầu đối với thiết bị chống sét (TBCS) + Phải có đặc tính V-S nằm thấp hơn đặc tính V-S của cách điện của thiết bị cần bảo vệ. TBCS) S V TB cần bảo vê ̣ + TBCS phải có khả năng tự dập tắt nhanh chóng hồ quang ngắn mạch của dòng điện xoay chiều để khôi phục lại trạng thái làm việc bình thường cho hệ thống điện + TBCS phải có điện áp dư thấp hơn mức cách điện xung kích của thiết bị mà nó bảo vệ. + TBCS không được phóng điện khi có quá điện áp nội bộ 3.2 Một số thiết bị chống sét 3.2.1 Khe hở (mỏ) phóng điện * Đơn giản * Không dập được hồ quang, để dập được hồ quang cần kết hợp TĐL Người ta chỉnh định điện áp phóng điện qua mỏ nhỏ hơn mức cách điện của đường dây (của chuỗi sứ) nhằm khi có sét đánh trên đường dây, nếu biên độ sét lớn quá so với điện áp phóng điện của chuỗi sứ thì không gây phóng điện qua chuỗi sứ. Điện áp dư của mỏ là Is.Rxk, điện áp này đặt trên chuỗi sứ. Thường mỏ chỉ mắc ở đường dây trung tính cách điện với đất để giảm dòng phóng điện kế tục. Từ đó hồ quang điện được dập tắt dễ dàng 3.2.2 Chống sét ống Khe hở phóng điện và chống sét ống dùng để bảo vệ chống sét trên đường dây, mục đích là để giảm biên độ sét truyền trên đường dây. Cấu tạo Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 81 + Khe hở ngoài + Khe hở trong + Ống sinh khí Nguyên lý làm việc Khi có quá điện áp đặt lên chống sét van vượt quá khả năng chịu đựng của khe hở không khí. Khe hở sẽ phóng điện và dòng sẽ tản vào trong đất. Sau khi quá điện áp kết thúc, dòng điện xoay chiều men theo tia lửa điện xuống đất. Ống sinh khí sẽ bị đốt nóng và sản sinh ra nhiều khí. Áp suất chất khí tăng cao và hồ quang sẽ bị dập tắt dễ dàng khi dòng đi qua trị số không. Ưu điểm Cấu tạo đơn giản Có khả năng tự dập tắt hồ quang. Nhược điểm Đường đặc tính V-S rất dốc, khó phối hợp cách điện Dòng đi qua chống sét van bị giới hạn bỡi khả năng chịu đựng của thành ống với áp suất khí 3.2.3 Chống sét van Cấu tạo + Khe hở khí + Các điện trở phi tuyến Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 82 Nguyên lý làm việc - Khi có quá điện áp xuất hiện thì các khe hở phóng điện, điện áp tác dụng lên chống sét van là điện áp của sét. Khi tác dụng lên CSV một điện áp sét có giá trị lớn thì điện trở R giảm thấp làm dòng thông qua CSV dễ dàng (van mở) và điện áp dư trên CSV nhỏ. - Khi hết sét thì giữa khe hở vẫn còn hồ quang kế tục cháy. Khi đó tác dụng lên điện trở R một giá trị điện áp uf , điện áp bé làm R tăng lên và dòng qua CSV giảm xuống, tạo điều kiện để dập tắt hồ quang khi dòng đi qua giá trị 0. Ưu điểm Độ dốc của đường đặc tính V-S bé Có khả năng tự dập tắt hồ quang tốt Phạm vi ứng dụng Thường được dùng tại trạm biến áp để bảo vệ các thiết bị điện trong trạm, mục đích là chống quá điện áp truyền theo đường dây vào trạm. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 83 Chương 4 QUÁ TRÌNH SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY 4.1 Hệ phương trình truyền sóng Khi có sét đánh lên dây dẫn hoặc khu vực gần dây dẫn sẽ sản sinh ra điện từ trường truyền dọc trên đường dây gây ra quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện của hệ thống. Khi nghiên cứu các biện pháp bảo vệ chống sét cho HTD cần phải dựa trên cơ sở tính toán phân tích các quá trình truyền sóng trên đường dây. R C G L Các tham số r, g, C, L là ứng với đơn vị chiều dài của đường dây Hệ phương trình vi phân biểu diễn quá trình truyền sóng trên đường dây:         +=   −   +=   − t u CuG x i t i LRi x u Với đường dây không tổn hao         =   −   =   − t u C x i t i L x u Nghiệm tổng quát của hệ phương trình trên dưới dạng sóng chạy như sau: )()( 21 vtxfvtxfu ++−=  )()(1 21 vtxfvtxf Z i +−−= Trong đó: f1 là thành phần sóng tới f2 là thành phần sóng phản xạ v là vận tốc truyền sóng sm LC v /10.3 11 8==  mF / 10.9.4 1 9  = Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 84 Z là tổng trở sóng của đường dây )400( 2 ln60 == C L r h Z dd dd 4.2 Truyền sóng giữa 2 môi trường Giả sử có sóng tới ut lan truyền trong môi trường có tổng trở sóng là Z1.Khi sóng truyền sang môi trường Z2 thì tại điểm nút sẽ có hiện tượng phản xạ và khúc xạ. Thành phần sóng khúc xạ uk đồng thời có thành phần sóng phản xạ uf về môi trường cũ theo quan hệ như sau Z1 uf M u t Z2 uk )2( )1( kft kft III UUU =− =+ Lấy phương trình 2 nhân với Z1 )3(111 kftkft UUUIZIZIZ =−==− Lấy (1) cộng với (3) )4(2 1 kkt UIZU += Từ biểu thức này ta có sơ đồ thay thế tương đương Z1 Ik M 2ut Z2 uk Từ sơ đồ này ta xác định được các thành phần: Thành phần sóng khúc xạ: mH /10.4 7−=  Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 85 tt t k uu ZZ Z Z ZZ u u .. 2 . 2 21 2 2 21 = + = + = Thành phần sóng phản xạ tttkf uuuuu .).1(  =−=−= Trong đó: 21 22 ZZ Z + = là hệ số khúc xạ )1( −=  là hệ số phản xạ 4.2.1 Xét các trường hợp tới hạn a. Khi cuối đường dây bị hở mạch Ut Z1 Z2=∞ M Z1 2u t 2ut uk Ta có: tf UU ZZ Z ===== + = 12 2 21 2  Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ áp toàn phần b. Cuối đường dây bị ngắn mạch Ut Z1 Z2=0 M Z 1 2ut Uk=0 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 86 tff UUU ZZ Z Z −===−=== + === &010 2 0 21 2 2  Đây là hiện tượng sóng phản xạ áp âm toàn phần Rcột<< Z1 Z1 4.2.2 Truyền sóng khi giữa 2 môi trường có ghép điện dung song song Theo phương phap Laplace p u puconstuu pC pX tttc ==== )(;; 1 )( 0 )1( 1 . 2 . )( 2 )( 21 2 2121 2 2 c t t pTpZZ Z u ZZZCpZp Zu pu ++ = ++ = Với 21 21 ZZ ZCZ Tc + = là hằng số thời gian truyền sóng Ut Z1 Z2 M C Z1 C2ut Z2 u2(t) Chuyển đổi Laplace ngược cT t c e pTp − − + 1 )1( 1 Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 87 )1.(.)(2 cT t t eutu − −=   độ dốc của sóng khúc xạ: 1 2 2)( CZ u dt tdu t= Như vậy ta c thể chọn giâ trị C như thế nào đó để giảm độ dốc sng truyền sang mi trýờng mới đến mức độ cần thiết không gây hỏng cách điện dọc. 4.2.3. Truyền sóng giữa 2 môi trường có ghép điện cảm Ut Z1 Z2 M 1 L 2ut Z2 U2(t) Z N N M Giả thiết sóng truyền theo đường dây Z1 có dạng vuông góc, độ dài sóng vô hạn: p u puconstuuLPpX tttc ==== )(;;)( 0 )1.(. )1( 1 . 2 . )( 2 )( 21 2 21 2 2 LT t t L t t eu pTpZZ Z u ZZpLp Zu pu − −= ++ = ++ =  Với 21 ZZ L TL + = là hằng số thời gian truyền sóng Ta tính được độ dốc L Zu dt tdu t 22 2)( = Như vậy ta có thể chọn giá trị L như thế nào đó để giảm độ dốc sng truyền sang mi trýờng mới đến mức độ cần thiết không gây hỏng cách điện dọc 4.2.4 Truyền sóng khi cuối đường dây có đặt chống sét van Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 88 Z1 Z2 M U2(t) Z1 M 2u t Rcsv Tùy thuộc vào loại chống sét van và tình trạng làm việc của chống sét van mà chia ra làm thành 2 trường hợp a.Khi chống sét van chưa làm việc (chống sét van có khe hở) Trường hợp này môi trường Z2 là môi trường hở mạch, nên sẽ có sóng phản xạ dương áp toàn phần b. Khi chống sét van làm việc ( cả chống sét van có khe hở và không có khe hở) Đường 2ut cắt đặc tính Volt -Giây tại thời điểm nào thì CSV phóng điện tại thời điểm đó. Trường hợp này, môi trường Z2 được đặc trưng bỡi 1 điện trở phi tuyến theo đường đặc tính V-A của chống sét van. Điện trở phi tuyến được ghép nối vào mạch, điện áp tác dụng lên chống sét van được xác định theo quy tắc Petersen 2Ut=U2+Z1.Icsv u2 (t) bây giờ thực chất là điện áp tác dụng lên điện trở phi tuyến R của chống sét van thường được gọi là udư của chống sét van. Z1 .icsv t U2 (icsv) i Z1. icsv + V-A2Ut(t) i u a 1 a 2 a 3 U2 (t) Icsv (t) 4.3 Qui tắc sóng đẳng trị Giả thiết các đường dây không phát sinh ngẫu hợp từ với nhau và qui ước chiều dương đi về phía nút là chiều (+) Viết phương trình dòng và áp tai điểm nút Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 89 xxmmx uuu =+  = −= n m xmmxx iii 1 )( Z1 ux1 Zx u tx Z2 ux2 u2x Z3 ux3 u3x Zm uxm umx Zn uxn unx Từ đó ta có  == −= n m m xm n m m mx x Z u Z u i 11 Thay phương trình áp vào ta có  == −==−= n m m x n m m mx xmxxxm Z u Z u iuuu 11 1 2 xn m m n m m mx n m m x u Z Z u Z i −=    = = = 1 1 1 1 1 .2 1 1 . Đặt dtn m m n m m mx tridangn m m u Z Z u Z Z 2 1 1 .2& 1 1 1 1 1 ==    = = = Ta có thể viết tương đương dtxdtx Ziuu .2 −= Từ đó ta có sơ đồ thay thế petersen Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 90 Zdt Ix2u tdt Zx ux Theo sơ đồ thay thế petersen, ta có thể viết x xdt dt x Z ZZ u u . 2 + = Sóng phản xạ về môi trường thứ m mxxxm uuu −= 4.4 Truyền sóng trong hệ nhiều dây Đường tải dây điện là 1 hệ thống gồm nhiều dây và mỗi dây trong chúng đều nằm trong điện từ trường gây ra bởi sự truyền sóng dọc các dây khác. Để nghiên cứu quá trình truyền sóng trong hệ thống nhiều dây dẫn, xuất phát từ hệ phương trình Maxwell áp dụng cho hệ thống nhiều dây có điện tích q không chuyển động nnnnnn niniii nn nn qqqu qqqu qqqu qqqu     +++= +++= +++= +++= .... . . . .... .... .... 2211 2211 22221212 12121111 Trong đó  là hệ số thế được xác định như sau ij ij ij i i ii d b r h ln 2 1 2 ln 2 1     = = Với hi ri lần lượt là độ cao treo dây dẫn và bán kính dây dẫn bij và dij là khoảng cách giữa pha i và ảnh của pha j và khoảng cách giữa pha i và j Tương tự ta cũng có thể viết quan hệ giữa dòng và áp dij j i’ j’ ri hi bij Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 91 nnnnnn niniii nn nn IZIZIZu IZIZIZu IZIZIZu IZIZIZu +++= +++= +++= +++= .... . . . .... .... .... 2211 2211 22221212 12121111 Trong đó Zii: tổng trở sóng riêng của dây thứ i Zij là tổng trở sóng tương hỗ của dây thứ i đối với dây thứ j ij ij ij ij ij i i i i ii d b d b Z r h r h Z 2 lg138 2 ln60 2 lg138 2 ln60 == == 4.4.1 Một dây nối với nguồn 1 dây nối đất Đây là trường hợp sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. 2221212 2121111 0 IZIZu IZIZu +== += Giả sử Z12=Z21 và Z11=Z12 Ta thấy, khi có dây chống sét dòng điện chay trên dây dẫn lớn hơn dòng điện chạy trên dây dẫn khi không có dây chống sét vì dòng điện chạy trên dây chống sét ngược chiều với dòng chạy trên dây dẫn. 4.4.2 Một dây nối với nguồn 1 số dây còn lại cách điện với đất Đây là trường hợp đường dây treo 1 dây chống sét và sét đánh vào dây chống sét 22 12 12 11 2 12 11 1 & Z Z II Z Z Z U I −= − = Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 92 uku Z Z u IZu IZu IZu IZuu III i i i nn ii n . . . . 0..... 1 11 1 11 11 1212 1111 32 === = = = == === Trong đó k1i là hệ số ngẫu hợp giữa dây chống sét và dây dẫn thứ i. Lưu ý rằng k1i sẽ khác so với ki1. Khi sét đánh lên dây chống sét thì trên dây dẫn cũng xuất hiện 1 điện áp do có ngẫu hợp từ. 4.4.2 Hai dây nối với nguồn 1 số dây còn lại cách điện với đất Đây là trường hợp đường dây có treo 2 dây chống sét và sét đánh vào dây chống sét uk ZZ ZZ uu IZIZu IZIZu IZIZuu IZIZuu III i ii i nnn iii n .. . . . 0..... 12 1211 21 2211 2211 2221212 2121111 43 = + + == += += +== +== === k12i là hệ số ngẫu hợp từ của dây dẫn đặt cách điện thứ k với 2 dây chống sét thứ 1,2 Nhận xét: ta thấy k1i<k12i nên điện áp đặt lên chuỗi sứ sẽ thấp hơn và giảm khả năng phóng điện trên chuỗi sứ. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 93 Chương 5 NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 5.1 Khái niệm chung Tác dụng của nối đất là để tản dòng điện sự cố vào đất và để giữ mức điện thế thấp trên các phần tử thiết bị điện được nối đất. Các loại sự cố thường xảy ra như: rò điện, ngắn mạch, chạm đất 1 pha, dòng điện sét. Theo chức năng của các loại nối đất, nó được chia làm 3 loại sau đây: Nối đất an toàn: nhằm đảm bảo an toàn cho con người. Nối đất an toăn lă nối tất cả các bộ phận kim loại của TBĐ hay của các kết cấu kim loại mà khi cách điện bị hư hỏng thì nó xuất hiện điện áp xuống hệ thống nối đất . Nối đất chống sét: đảm bảo an toàn cho TBĐ. Nối từ bộ phận thu sét xuống đất. Cả 2 loại nối đất trên được gọi là nối đất bảo vệ Nối đất làm việc: nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho TBĐ và 1 số bộ phận của TBĐ theo chế độ đã được qui định sẵn, đây là loại nối đất bắt buộc để đảm bảo các điều kiện vận hành của hệ thống. Trong rất nhiều trường hợp, 2 hoặc 3 nhiệm vụ nối đất trên được thực hiện trên cùng một hệ thống nối đất. Các loại nối đất thường được thực hiện bằng một hệ thống những cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất hoặc những thanh ngang hoặc hệ thống thanh - cọc nối liền nhau chôn trong đất ở một độ sâu nhất định. 5.2 Điện trở suất của đất- kệ số mùa Đất là môi trường dẫn điện phức tạp, không đồng nhất về thành phần và cấu tạo, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: - Lượng ẩm trong đất; - Năng lực giữ ẩm của đất ; - Tạp chất trong đất; Vì vậy khi tính toán nối đất thì người ta lấy: Kmùa phụ thuộc vào độ chôn sâu của điện cực muadott k. = Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 94 Kmùa phụ thuộc vào loại nối đất: nối đất an toàn hay nối đất chống sét. Thường tính toán nối đất chống sét lấy kmùa nhỏ hơn so với nối đất an toàn Bảng hệ số kmùa của hệ thống nối đất Loại nối đất Hình thức nối đất Độ chôn sâu (m) Hệ số km Nối đất làm việc và nối đất an toàn Nằm ngang 0,8 1,6 ÷ 3 Thẳng đứng 1,4 ÷ 2 Nối đất chống sét Nằm ngang 0,8 1,2 ÷ 1,45 Thẳng đứng 1,15 ÷ 1,30 5.3 Tính toán nối đất an toàn 5.3.1.Xác định điện trở nối đất của 1 điện cực đơn: Xác định Rbc của bân cầu có bán kính ro chôn trong đất có điện trở suất  Iđ r ro dr Khi có dòng điện chạm đất Iđ đi vào bán cầu thì mật độ dòng điện cách tâm bán cầu một khoảng r bất kỳ được xác định: 22 r I J d  = Theo định luật Ohm dạng vi phân, xác định được cường độ điện trường trong đất: .J dr du E == Trong đó J là mật độ dòng điện đi trong đất Từ đó ta xác định được dr r I du r I dr du E dd 22 2 . 2 .     === Điện áp trên bề mặt bán cầu ro: 0 2 2 . 2 . 2 . r I r I dr r I U dr d ro d o        = − ==  Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 95 Từ đó suy ra: Điện trở nối đất của bán cầu có bán kính ro là od bc rI U R   2 == Điện trở nối đất của cọc chôn sâu trong đất: t l m d Độ chôn sâu của cọc mm )8,05,0( = ml cmd lt lt d l l R l mt tt c )32( )52( 4 4 ln 2 12 ln 2 2 = =       − + += +=   Điện trở nối đất của 1 thanh chôn trong đất Cho thanh có chiều dài L, chôn trong đất với độ sâu t, đường kính thanh là d dt kL L R ttt . ln 2 2   = Với k là hệ số phụ thuộc vào hình dáng nối đất cmd )32( = L t d Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 96 Hệ số hình dáng của thanh nối đất 10,4048,45 8,1732,38 6,4221,46 5,811,51,27 5,531 l1 1 kl1/l2Sơ đồ của nối đấtkSơ đồ của nối đất l2 5.3.2 Điện trở của hệ thống nối đất Xét 2 điện cực nối đất hình cầu, bán kính ro nằm cách nhau 1 khoảng a. Id Id/2 Id/2 ro ro a Điện áp đặt trên một điện cực chính bằng điện áp của hệ thống nối đất: U a I r I u d o d =+=     2 . 2 2 . 2 1 Điện trở nối đất của hệ thống: arI U RR od htbc     2.22.2 2 +=== Như vậy so với trường hợp lý tưởng của 2 bán cầu nối song song, điện trở nối đất của hệ thống 2 bán cầu khi có sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa 2 điện cực đặt trong đất tăng lên một lượng là: Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 97 a  2.2 Để đặc trưng cho hiện tượng này thì người ta đưa ra 1 hệ số gọi là hệ số sử dụng ar r ar r o o o o /1/1 /1 2.22.2 2.2 + = + =        Như vậy:  giảm khi a giảm,  tăng khi a tăng. Chính vì lý do này mà ít khi người ta đóng các cọc quá gần nhau (a≥3m)  giảm khi ro tăng,  tăng khi ro giảm Khi có hệ thống nối đất gồm n cọc liên kết với nhau bằng thanh chôn nằm ngang nRR RR R cttc tc ht . .  + = Trong đó: c, t là hệ số ảnh hưởng ( sử dụng) giữa các cọc và giữa cọc và thanh 5.4 Tính toán nối đất chống sét 5.4.1 Đặc điểm Dòng điện sét có biên độ lớn (Is lớn ), tức mật độ J lớn, suy ra cường độ điện trường E lớn. Nếu E >Ecpđ thì vùng đất xung quanh điện cực sẽ bị phóng điện, lúc này tương đương với kích thước của điện cực tăng làm giảm đáng kể trị số điện trở nối đất. Do a=dis/dt lớn do đó không thể bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm của bản thân điện cực. Bởi vì nó gây ra một giá trị điện áp giáng Ldis/dt trên bản thân điện cực. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 98 Vì vậy hệ thống nối đất chống sét không thuần tuý như 1 điện trở nữa mà là tổng trở Z và làm trị số Ohm tăng lên khá lớn. Thông thường, khi l >40 m thì lúc đó mới xét ảnh hưởng của điện cảm dt di LIRU ssxk += . 5.4.2 Phân loại Nối đất tập trung : khi chiều dài của điện cực chôn vào trong đất l < 40 m. Bỏ qua ảnh hưởng của L chỉ xét dến hiện tượng phóng điện ở trong đất. Nối đất phân bố dài: Xét đồng thời cả 2 ảnh hưởng: + Hiện tượng phóng điện trong đất + Ảnh hưởng của điện cảm Tuy nhiên bài toán này khá phức tạp, cho nên đối với trường hợp này chỉ xét đến ảnh hưởng của L, bỏ qua hiện tượng phóng điện trong đất 5.4.3 Xác định điện trở nối đất xung kích của hệ thống nối đất tập trung Do hiện tượng phóng điện trong đất, điện trở suất của đất bị giảm )1( rxk kE−=  Phần đất đã bị phóng điện xem như điện cực được phình to ra đến bán kính r và điện trường trên bề mặt bán cầu r bằng Ecp=Eo xk s xkro r I JE    . 2 . 2   == Từ đó ta có o os o xks E kEI E I r     2 )1( 2 − == Điện trường trong đất tại 1 điểm cách tâm điện cực bán kính r r ocpd EE = Is r ro dr Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 99 )1(. 2 . 2 r s xkrr kE r I JE −==    dr du kIr I E s s r = + ==   22 Ta tính được điện áp dr kIr I udr kIr I du r s s s s    + == + =     22 22 Xác định điện áp đặt trên hệ thống nối đất:                 −=  kI rarctg kI Iu ss s     2 22 Từ đó ta suy ra điện trở nối đất xung kích của điện cực bán cầu         − −= o o s s kE kE arctg kI Iu 1 22            − −=== o o ss xk kE kE arctg kII u R 1 22    ),( sxk IfR = Nhận xét: Rxk gần như không phụ thuộc vào kích thước hình học ban đầu của hệ thống nối đất, mà chỉ phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét, điện trở suất tính toán của đất. Thực tế hiện nay người ta thường tính Rxk bằng công thức: RR xkxk = Với 0<xk <1 là hệ số xung kích Điện trở nối đất của n cọc liên kết với nhau bằng thanh chôn nằm ngang xkxktxkc xktxkc xkht nRR RR R  1 . . + = Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 100 Trong đó: txktxkt cxkcxkc RR RR   = = xk là hệ số sử dụng xung kích của hệ thống. 5.4.4 Tính điện trở nối đất phân bố dài Sơ đồ thay thế của hệ thống nối đất phân bố dài Lo Go Lo Lo Go Go Lo - điện cảm trên 1 đơn vị dài của bản thân điện cực  mH r l Lo /31,0ln2,0       −= Go- Điện dẫn trên 1 đơn vị dài của hí thống nối dất        = mlR Go . 1 . 1 Trong đó L: chiều dài điện cực r: bán kính điện cực R: điện trở tản ổn định của điện cực Từ sơ đồ thay thế ta lập được hệ phương trình vi phân:       =   −   =   − uG x i t i L x u o o Giải hệ phương trình ta có           − +=   = − 1 21 cos 1 2),( k T t o l xk k e Tt lG a txu k  Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 101           − +==   = − 1 21max 1 2),0( k T ds o ds k e T lG a uu k ds  Với a I k T T lGL T sdsk oo ===   ;; 2 1 2 2 1           − +==   = − 1 2 1 121 1 )( ),0( ),0( k T dsods ds ds k eT lGi u Z k ds    Cách tính   = −  =  = − −= − 1 2 1 2 1 2 11 k T kk T k e kk e k ds k ds  Với 6 1 2 1 2  =  =k k và ... 94 32 1 1 2 +++= −− − = −  TT T k T dsds ds k ds ee e k e    Ta chọn giá trị k sao cho   = − 1 2 k T k e k ds tiến đến không. Ta chỉ lấy các giá trị k sao cho đs/Tk <4 ds ds k T kk Tk T T   12 1 2 1 24 == 5.4 Nối đất ở đường dây và trạm biến áp 5.4.1 Nối đất cho đường dây Nối đất ở đường dây là nối đất ở các cột điện làm nhiệm vụ nối đất chống sét và nối đất này được xem là dạng nối đất tập trung. Yêu cầu kỹ thuật diencachchuois uRI %50cot.  Hiện nay người ta quy định như sau Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 102 cm.104 =10cotR cmcm .10.5.10 44   =15cotR cmcm .10.10.5 54   = 20cotR cm.105 = 30cotR Quy định này xuất phát từ yêu cầu kinh tế - kỹ thuật sao cho hợp lý 5.4.2 Nối đất trạm biến áp Có 2 loại nối đất: nối đất bảo vệ và nối đất làm việc Nguyên tắc: làm 2 hệ thống nối đất khác nhau là tốt nhất cho 2 loại nối đất Tuy nhiên việc thực hiện 2 hệ thống nối đất trong 1 trạm phân phối là không thể làm được, mà chỉ có 1 hệ thống nối đất làm cả 2 nhiệm vụ. + Hiện nay, quy định tiêu chuẩn đối với nối đất an toàn: - U ≥ 110KV:  5,0atR - U ≤ 35KV:  4atR Đối với nối đất chống sét MBAdss uZI %50),0(.  Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 103 Chương 6 BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN 6.1 Bảo vệ chống sét cho đường dây 6.1.1 Tính suất cắt đường dây Suất cắt điện là số lần cắt điện do sét gây nên trên chiều dài 100 km đường dây trong 1 năm .. dpvNn = N là số lần sét đánh vào khu vực đường dây trên 100km trong 1 năm 310.100..6. −= ngsettbs nhmN (lần/100km/năm) ms là mật độ sét (0.1-0.15) lần/km2/ngày nngset là số ngày sét trong năm (ngày/năm) htb là chiều cao trung bình của dây trên cùng (m) fhhtb 3 2 max −= với f là độ võng của dây (m) vpđ : xác suất phóng điện qua chuỗi sứ của đường dây  )()( tutuPv pdtdpd = - xác suất chuyển từ dạng phóng điện tia lửa xung kích do sét sang dạng ngắn mạch hồ quang xoay chiều (Uf). Giá trị  được xác định bằng thực nghiệm. cs dm cs f lvlv l U l U EEf 3 ),( === Elv là cường độ điện trường phân bố dọc theo chiều dài của chuỗi sứ. Bảng tra giá trị  0,10,250,450,6η 10203050Elv (KV/m) 6.1.2 Biện pháp giảm suất cắt đường dây Từ công thức tính suất cắt đường dây, ta có: .. dpvNn = Để giảm suất cắt điện n của đường dây ta chỉ có thể giảm vpđ và : - Giảm vpđ bằng cách treo dây chống sét - Giảm : tăng chiêu dài chuỗi sứ, dung cột, xa bằng gỗ. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 104 6.2 Bảo vệ chống sét cho đường dây có Uđm≥110 KV Đối với các đường dây có Uđm≥110KV thì thường có trung tính trực tiếp nối đất. Khi sét đánh lên đường dây thì có thể gây ra dạng ngắn mạch 1 pha N(1) và dẫn đến cắt điện. Biện pháp hiệu quả nhất để bảo vệ chống sét cho đường dây là treo dây chống sét trên toàn tuyến đường dây. Khi treo dây chống sét trên đường dây sẽ giảm điện áp tác dụng lên cách điện của đường dây từ đó giảm được suất cắt điện. Khi treo dây chống sét trên đường dây tải điện phải luôn luôn kết hợp với nối đất tốt bởi vì nếu điện trở nối đất ở các cột điện có giá trị lớn thì việc treo dây chống sét là vô nghĩa. (Rc= 10,15, 20, 30). Xét đường dây không treo dây chống sét, khi đó sét sẽ đánh trực tiếp vào dây dẫn. Điện áp tác dụng lên dây dẫn dd s td Z I U 4 = Is/2 Is/4 Is/4 Giả sử: Zdd=400Ω thì std IU 100= Xét đường dây có treo dây chống sét. Xét trường hợp nguy hiểm nhất là sét đánh vào ngay đỉnh cột. Điện áp đặt lên xà cột hoặc dây chống sét là: Ucs = Is.Rc = 10.Is (Với giả sử Rc = 10) Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 105 Is Rcột Udd Ucs ̣ Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ: Utd = Ucs-Udd = Ucs(1-k) Kết luận: Trường hợp có treo dây chống sét thì điện áp tác dụng đặt lên chuỗi sứ nhỏ hơn, do đó ít gây phóng điện hơn. Mặc dù các đường dây có treo dây chống sét thì vẫn còn có khả năng sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn. Đặc biệt đối với các đường dây siêu cao áp có Uđm > 220KV, do độ treo cao của đường dây lớn nên xác suất đánh vòng rất lớn. Bằng thực nghiệm người ta xác định được xác suất sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn: 4 90 lg −= c h V   V là xác suất sét đánh vòng hc là chiều cao cột thu sét  là góc bảo vệ Để giảm suất cắt điện: - Giảm Rc - Giảm góc bảo vệ 6.3 Bảo vệ chống sét cho đường dây Uđm ≤ 35 kV Đối với các đường dây có cấp điện áp Uđm ≤ 35 kV thì thường có TTCĐ hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang. Khi sét đánh trên đường dây sẽ gây ra hiện tượng chạm đất 1 pha và tình trạng sự cố này vẫn cho phép làm việc trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Biện pháp hiệu quả nhất để bảo vệ chống sét cho đường dây này là không treo dây chống sét trên toàn tuyến đường dây mà chủ yếu là phải giảm điện trở Rc ở các cột điện. Khi giảm Rc thì chúng ta sẽ giảm U tác dụng lên cách điện của các pha không sự cố và từ đó giảm đựơc suất cắt điện. Xét đường dây 35kV không treo dây chống sét. Giả sử sét đánh vào pha A, sẽ gây phóng điện qua chuỗi sứ pha A. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 106 UA = Is.Rc Điện áp cảm ứng từ pha A sang dây dẫn pha B là: UddB = k.UA =k. Is.Rc Điện áp tác dụng lên chuỗi sứ pha B là: Utd = UA-UddB = Ucs(1-k) Nếu Utd ≥U50% của cách điện pha B thì sẽ gây phóng điện qua pha B. Khi đó đường dây sẽ bị cắt điện Giá trị dòng điện sét mà ứng với giá trị đó sẽ gây phóng điện qua pha B là: )1.( %50 kR U I c sgh − = Như vậy, ứng với một giá trị điện trở Rc cho trước, xác suất cắt điện của đường dây 35KV chính là xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ )1.( %50 kR U I c s −  Xác suất phóng điện sẽ được xác định theo công thức 1,26).1(%50 %50 )1( kR U c pd ce kR U IsPV − − =       − = Để giảm Vpđ ta giảm Rc 6.4 Bảo vệ chống sét cho trạm biến áp Phóng điện trong trạm gây ra sự cố rất trầm trọng trong hệ thống điện, nó có thể phá hủy nhiều thiết bị đắt tiền, gây ngắn mạch trên thanh góp ngay cả khi có hệ thống bảo vệ rơ le hiện đại. Vì vậy, yêu cầu đối với việc bảo vệ chống sét cho trạm cao hơn nhiều so với đường dây. TBA phải được bảo vệ với độ an toàn rất cao, gồm 2 phần: - BV chống sét đánh thẳng trực tiếp vào trạm (dùng cột hoặc dây thu sét). - BVchống sóng quá điện áp do sét gây ra trên đường dây truyền vào trạm (dùng CSV) Tuy nhiên, chủ yếu vì lý do kinh tế mà người ta không thể đầu tư nhằm loại trừ hoàn toàn khả năng xảy ra sự cố ở trạm do sóng truyền theo đường dây vào mà chỉ có thể hạn chế tới mức hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Mức độ an toàn chịu sét của trạm được đặc trưng bởi chỉ tiêu chống sét của trạm. Nó được định nghĩa bằng số năm trung bình vận hành an toàn. Với phương tiện bảo vệ ngày càng hoàn thiện, chỉ tiêu chống sét của trạm đạt đến hàng trăm năm. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 107 n M 1 = (trong đó: n là suất cắt điện, lần/năm) Với yêu cầu M = 100 năm thì n = 0,01 lần/năm. Biện pháp chủ yếu để bảo vệ chống sóng quá điện áp khí quyển truyền từ đường dây vào TBA là dùng các thiết bị CSO, CSV hoặc các thiết bị hạn chế quá điện áp đấu vào thanh góp của trạm hoặc đấu trực tiếp ngay đầu vào của MBA. Nguyên lý bảo vệ: Muốn cho CSV bảo vệ được một thiết bị nào đó thì đặc tính V-S của nó, kể cả phần tản mạn phải nằm toàn bộ dưới đặc tính Volt-giây của thiết bị được bảo vệ và điện áp dư trên CSV phải nhỏ hơn điện áp thử nghiệm xung U50% của cách điện trong thiết bị được bảo vệ. Tuy nhiên, điện áp dư trên CSV lại phụ thuộc vào dòng điện xung qua nó. Ngoài ra, điện áp tác dụng lên cách điện của thiết bị được bảo vệ còn phụ thuộc vào vị trí đặt CSV. Do đó việc bảo vệ bằng CSV cho thiết bị chỉ an toàn khi thực hiện được 2 điều kiện sau đây: Trị số dòng điện xung chạy qua CSV không được vượt quá trị số dòng định mức của nó. Tùy cấp điện áp và loại CSV mà dòng định mức của nó từ 5 đến 14kA. Khoảng cách giữa CSV và thiết bị được bảo vệ phải nằm trong giới hạn cho phép. Việc đảm bảo dòng điện xung đi qua CSV không được lớn hơn dòng định mức của nó cũng là điều kiện đảm bảo cho CSV vận hành được bình thường.Vì nếu I > Iđm sẽ có thể gây hỏng CSV , ngoài ra còn làm cho Udư tăng cao ảnh hưởng đến việc phối hợp cách điện trong nội bộ của trạm. Udưđm) U Iđm I Udư>Udư (đm) Đặc tính Volt-Ampe của CSV Để xét điều kiện làm việc an toàn của CSV khi sét đánh vào đường dây. Ta xét 2 trường hợp sau đây: Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 108 (1-2) km (2)(1) CSV MBAu t 1. Xét trường hợp khi sét đánh lên đường dây cách xa trạm từ (1-2) km Đối với trường hợp này, ta xét giống như hiện tượng truyền sóng trên đường dây tải điện vào trạm. Tương ứng với trường hợp này ta có sơ đồ thay thế theo qui tắc Petersen như sau: Zdd 2ut Rcsv Udư Sơ đồ thay thế sóng truyền theo đường dây vào trạm Từ sơ đồ thay thế ta xác định các thông số Sóng tới truyền vào trạm bằng điện áp thử nghiệm xung u50% của đường dây. Rcsv = Rđm khi dòng điện chạy qua là Iđm. Đối với đường dây 110 kV ta có: chuỗi sứ có U50%= 650 kV và CSV 110kV có: Udư = 367 kV, Iđm = 10 kA = 7,36csvR và = 400ddZ ta tính được kAkA RZ U I csvdd t csv 103 7,36400 650.22 = + = + = Như vậy chống sét van không bị hư hỏng 2. Đối với đường dây cột gỗ, ở đoạn tới trạm phải đặt dây chống sét và nối đất tại các cột điện. Mức cách điện xung của đoạn có treo dây chống sét này giảm đi rất nhiều vì cột gỗ đã được nối tắt bởi dây nối đất của dây chống sét. Ví dụ đối với đường dây 110KV khi treo dây chống sét, mức điện áp xung của cách điện pha (gồm chuỗi sứ và 2m xà gỗ) là 900KV, trong khi đó ở phần không treo dây chống sét, cách điện pha còn có cả phần thân gỗ của cột điện nên mức cách điện xung khoảng 1800KV. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 109 Do đó, đoạn tới trạm là nơi cách điện yếu của đường dây. Để hạn chế biên độ sóng truyền vào trạm và bảo vệ cho cách điện của đường dây phải đặt một bộ CSO1 ở đầu đoạn tới trạm (đặt trên cột điện đầu tiên có treo dây chống sét). CSV CSO1 CSO2 R R 1- 2km Bộ CSO2 đặt ở cuối đường dây có nhiệm vụ bảo vệ máy cắt điện đường dây MC1 khi máy cắt ở vị trí cắt điện. 1.Đối với đường dây cột thép hoặc bê tông cốt thép có treo dây chống sét trên toàn tuyến Đường dây 110kV Người ta bảo vệ bằng cách: - giảm góc bảo vệ â ở đoạn tới trạm (nhỏ hơn 20o). - giảm Rc đến mức cần thiết. 6.5 Bảo vệ chống sét cho máy điện 6.5.1 Bảo vệ chống sét cho máy điện nối trực tiếp đường dây trên không Đối với loại MF này thì bảo vệ chống sét thực hiện tương tự như TBA, nghĩa là trên thanh góp điện áp máy phát có đặt CSV và có bảo vệ đoạn tới trạm. Tuy nhiên có các đặc điểm riêng: - Dùng CSV có khe hở, dập hồ quang theo kiểu thổi từ có Udư thấp (loại PBT, điện trở phi tuyến của nó làm bằng tecvit có khả năng cho qua dòng điện lớn). Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 110 - Đặt thêm tụ điện trên thanh góp cấp điện áp máy phát song song với CSV có trị số điện dung C khoảng 0,25 - 0,5.10-6F/pha để giảm độ dốc sóng tới, tăng an toàn cho cách điện dọc. Các sơ đồ bảo vệ : CSV CSO1 CSO2 R Cột thu s é t Dùng cột thu sét đặt 2 bên đường dây để bảo vệ chống sét đánh thẳng trực tiếp vào dây dẫn gần máy điện. Trường hợp dùng dây thu sét thì không được đặt dây thu sét trực tiếp trên cột điện nhằm tránh hiện tượng phóng điện ngược vào dây dẫn. CSO1 được đặt ở đầu đoạn đường dây này và có điện trở nối đất càng nhỏ càng tốt (R<5) đê han chê dong điên qua CSV. Nêu không thực hiên được nối đất nho thì ở cột điên tiêp theo phai đặt thêm bộ CSO2. Sơ đồ này tốn kém nên ít dùng Sơ đồ 2 CSV CSO R Trong thực tế, máy điện thường được nối vào đường dây trên không qua một đoạn cáp dài từ 50 - 100 mét. Đoạn cáp này tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc bảo vệ quá điện áp cho máy điện. Tại nơi chuyển tiếp từ đường dây trên không sang cáp đặt bộ CSO. Vỏ cáp nối liền với nối đất của CSO và đầu kia nối vào nối đất của CSV và của nhà máy. Khi CSO làm việc thì lõi cáp và vỏ cáp có cùng điện thế với đất. Do hiệu ứng mặt ngoài nên dòng điện sét truyền chủ yếu ngoài vỏ cáp, nếu cáp đặt trong đất thì một phần dòng điện tản vào đất. Điện áp truyền vào máy điện là điện áp giáng trên điện trở tác dụng của vỏ cáp. 6.5.2 Bảo vệ chống sét cho máy điện nối với đường dây trên không qua máy biến áp Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 111 CSV MBA MFUdư Máy phát công suất lớn thường được nối với đường dây qua MBA (sơ đồ nối bộ MF- MBA). Về phía cao áp, máy biến áp được bảo vệ như bảo vệ trạm. Khi bên cuộn cao áp có sóng tác dụng thì phía hạ áp cũng sẽ xuất hiện điện áp do giữa 2 cuộn dây có sự liên hệ về điện (qua điện dung) và về từ (qua điện cảm). Tuy nhiên điện áp này ít khi vượt quá k.Udư , do đó cũng không gây nguy hiểm cho cách điện của MF. Vì thế trong trường hợp này không cần đặt bảo vệ riêng cho máy phát điện. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 112 Chương 7 QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ 7.1 Những tính chất chung của quá điện áp nội bộ Quá điện áp nội bộ xảy ra khi có sự thay đổi chế độ làm việc của hệ thống điện. Các nguyên nhân trực tiếp gây nên quá điện áp nội bộ: Do thao tác: Những thao tác đóng/cắt các phần tử của hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường, như đóng/cắt một đường dây không tải, cắt một MBA không tải,.... Do bản thân hệ thống: Những tình trạng sự cố khác nhau trong hệ thống như chạm đất, ngắn mạch, do sét đánh gây phóng điện duy trì, đứt dây,.... 7.2 Quá điện áp nội bộ được đặc trưng bởi các thông số: Trị số điện áp cực đại, là giá trị bội số của điện áp pha định mức của hệ thống Thời gian duy trì của quá điện áp (nó thay đổi trong phạm vi rất rộng, từ vài trăm micro giây đến hàng phút) Tính lặp lại và mức độ lan truyền: quá điện áp có thể xảy ra cục bộ trong phần tử hệ thống bị sự cố hay lan truyền toàn hệ thống Phương thức làm việc của điểm trung tính của hệ thống điện ảnh hưởng đến trị số của quá điện áp nội bộ. Trong lưới có trung tính trực tiếp nối đất, chạm đất 1 pha là ngắn mạch 1 pha, dòng ngắn mạch lớn nên BVRL sẽ tác động cắt máy cắt. Điện áp trên các pha không sự cố không vượt quá 0,8Uđm, trong khi đó ở lưới có trung tính cách đất trị số đó có thể lên đến 1,15 Uđm. Trong lưới có trung tính cách điện với đất, chạm đất 1 pha trong phần lớn các trường hợp không phá hoại sự làm việc của hệ thống, nhưng điện áp 2 pha còn lại tăng lên bằng điện áp dây. Do đó quá điện áp nội bộ có trị số lớn hơn. Quá điện áp nội bộ có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn mức cách điện của đường dây, của các thiết bị trong trạm và trong sự phối hợp cách điện với các đặc tính của CSV. 7.3 Quá điện áp khi chạm đất 1 pha bằng hồ quang trong hệ thống có trung tính cách đất 7.3.1 khái niệm chung Loại sự cố thường xảy ra nhất trên đường dây là hiện tượng chạm đất 1 pha. Xét hệ thống gồm MBA và 1 đường dây Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 113 UB UA UC UAB UAC IB IC Iâ C B A CC CB CA CA C CAB CBCIB IC Iâ Iâ ICIB Dòng điện chạy qua chỗ chạm đất: CBd III  += Giá trị tuyệt đối của các dòng đó là: CUII fCB .3== Như vậy giá trị tuyệt đối của dòng điện chạm đất bằng: CUI CUII pd pBd   .3 2 3 .3230cos2 0 = == Trong hệ thống 3 pha, quá điện áp do chạm đất 1 pha bằng hồ quang ổn định có dạng những xung có chu kỳ ngắn, với biên độ điện áp khoảng 2,1-2,2 Uf. Quá trình sẽ trở nên phức tạp nếu chạm đất bằng hồ quang không ổn định, nghĩa là hồ quang cháy chập chờn. Khi đó quá trình dao động quá độ sẽ kéo dài và trị số quá điện áp sẽ tăng lên. Trong hệ thống điện có trung tính cách đất thì hiện tượng chạm đất 1 pha bằng hồ quang thường xảy ra bởi hiện tượng phóng điện sét trên cách điện của đường dây Quá trình quá độ có thể kéo dài do hồ quang tắt đi cháy lại nhiều lần (hồ quang chập chờn) làm cho điện áp các pha không sự cố càng ngày càng tăng cao và có thể dẫn đến ngắn mạch nhiều pha. Trong thực tế điện áp các pha không sự cố có thể tăng lên, đến khoảng (3,5 - 4,3)Upha. Để hạn chế trị số quá điện áp và thời gian duy trì của nó, biện pháp hợp lý nhất là giảm dòng điện chạm đất bằng cách nối vào trung tính của máy biến áp một cuộn mang điện kháng. Cuộn điện kháng này thường được gọi là cuộn dập hồ quang theo đúng chức năng của nó. Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 114 Theo kinh nghiệm vận hành hệ thống điện cho thấy, khi dòng điện chạm đất thỏa mãn yêu cầu sau đây thì điểm trung tính của hệ thống có thể đặt cách điện với đất mà không cần đặt cuộn dập hồ quang: - Lưới có điện áp 6 - 10KV có dòng chạm đất dưới 30A - Lưới có điện áp 20 - 35KV có dòng chạm đất dưới 10A - Lưới có điện áp 35 - 60KV có dòng chạm đất dưới 5-10A 7.3.2 Cuộn dập hồ quang Để khắc phục hiện tượng quá điện áp do hồ quang thì trong thực tế người ta dùng cuộn dập hồ quang nối vào điểm trung tính của hệ thống điện. C B A CCCBCA LK LBA Cuộn dập hồ quang là cuộn cảm có lõi thép mà chúng ta có thể thay đổi LK bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép , thay đổi số vòng dây. Trong chế độ làm việc đối xứng, điện dung đối với đất của 3 pha bằng nhau và điện thế của điểm trung tính bằng 0, do đó không có dòng điện chạy qua cuộn dây của kháng điện. Khi có chạm đất 1 pha thì điện thế của điểm trung tính bằng điện áp pha, điện áp 2 pha không sự cố tăng lên bằng điện áp dây. Trong cuộn dây của kháng điện xuất hiện dòng điện. Do đó khi chạm đất 1 pha, giả sử chạm đất pha A thì dòng điện tại nơi chạm đất gồm 2 thành phần: - Thành phần dòng điện điện dung (Ic): thành phần này là dòng điện chạy qua điểm chạm đất do điện dung của đường dây với đất sinh ra. phaC CUI 3= - Thành phần dòng điện điện cảm (IL): là dòng điện chạy qua điểm chạm đất do cuộn kháng LK sinh ra K pha L L U I  = Bài Giảng Vật Liệu Điện và Cao áp - 2017 Phan Đình Chung – Bô môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 115 C B A CCCB CA LK LBA IL IL IC Iâ CLd III  += CLd III −= Chọn cuộn dập hồ quang thích hợp sao cho: 0=== dCL III hồ quang không cháy gọi q là hệ số bù C L I I q = q=1 bù đủ, dòng điện qua chỗ chạm đất bé nhất (0) q<1 bù thiếu, dòng qua chỗ chạm đất có tính dung q>1 bù thừa, dòng qua chỗ chạm đất có tính cảm Người ta thường không thực hiện bù đủ (q=1) vì bù đủ tương ứng với trường hợp nối đất cộng hưởng (XL = XC) làm cho mạch hệ thống dao động và có thể gây quá áp với biên độ lớn. Vì thế, người ta thường chỉnh định điện cảm cuộn dây theo chế độ bù thừa (q>1), nhưng cũng không quá 5-10% . Không chọn theo chế độ bù thiếu vì nếu như vậy sẽ có khả năng xảy ra cộng hưởng khi trong vận hành có một hoặc vài đường dây bị cắt ra làm cho điện dung của đường dây giảm đi.